Askelmoottorijärjestelmät ovat liikkeenohjausteollisuuden perusta. Tarkastelemme avoimen ja suljetun piirin järjestelmien eroja ja selitämme myös uusimmat kehitysaskeleet, jotka tekevät askelmoottorijärjestelmistä entistä nopeampia, hiljaisempia ja energiatehokkaampia.

Askelmoottorijärjestelmät ovat kehittyneet paljon jänniteohjauksen ja täysaskelluksen alkuajoista. Ensin tulivat PWM-ohjaimet ja mikroaskellus, ja sitten digitaaliset signaaliprosessorit (DSP) ja resonanssinvaimennusalgoritmit. Nyt uusi suljetun silmukan askelmoottoriteknologia varmistaa, että askelmoottorit pysyvät liikkeenohjausalan kulmakivenä tulevina vuosina.

Olipa liike lineaarista tai pyörivää, kaksi tärkeintä tekijää, jotka määräävät sopivimman moottorin ja käyttöjärjestelmän, ovat vääntömomentti ja hyötysuhde. Tämä pätee riippumatta siitä, onko lopullinen sovellus automaattinen kokoonpanojärjestelmä, materiaalinkäsittelykone, 3D-tulostin, karteesinen pyöritin, peristalttinen pumppu tai jokin lukemattomista muista sovelluksista, joissa askelmoottorit ovat ensisijainen tekniikka.

Askellusjärjestelmien uusin kehitysaskel on edullisten, korkean resoluution takaisinkytkentälaitteiden ja edistyneiden digitaalisten signaaliprosessorien (DSP) käyttö askelluslaitteen liikkeen sulkemiseen. Tällaiset säädöt parantavat suljetun silmukan askelluslaitteen suorituskykyä ja ylittävät avoimen silmukan järjestelmät. Kuten tulemme näkemään, yksi tällainen suljetun silmukan järjestelmä toteutetaan integroidulla moottorirakenteella, joka sisältää takaisinkytkentälaitteen, ohjain- ja ohjainkortit, teho-, tietoliikenne- ja I/O-elektroniikan sekä järjestelmäliittimet moottorin puolella ja takana.

Avoimen ja suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmät
Ensin tarkastellaan, miten tehokkaat suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmät vertautuvat perinteisiin avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmiin vääntömomentin ja hyötysuhteen suhteen.

Suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmillä on parempi suorituskyky kuin avoimen silmukan kokoonpanoilla, kuten laboratoriotestien tulokset osoittavat vertaillessaan kahden järjestelmän kiihtyvyyttä (vääntömomentti), hyötysuhdetta (virrankulutus), sijaintivirhettä (tarkkuus), lämmöntuottoa ja melutasoja. Tarkastellaanpa vääntömomentin ja kiihtyvyyden välistä suhdetta. Vääntömomentti-nopeus-käyrät näyttävät suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmän huippu- ja jatkuvan vääntömomentin alueet sekä avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmän käyttökelpoisen vääntömomentin alueen. Hyvin usein vääntömomentti todellisessa maailmassa muuttuu kiihtyvyydeksi – joten suuremman vääntömomentin omaavat moottorit voivat kiihdyttää tiettyä kuormaa nopeammin.

Tämän vääntömomentin suorituskyvyn eron testaamiseksi laboratoriossa samankokoisille avoimen ja suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmille kohdistetaan identtiset inertiakuormat. Ohjelmointi käskee kahta järjestelmää suorittamaan identtiset liikeprofiilit, paitsi että kiihtyvyysnopeutta ja huippunopeutta lisätään hitaasti molemmissa järjestelmissä, kunnes ne aiheuttavat paikoitusvirheitä.

Oletetaan, että avoimen piirin järjestelmä saavuttaa maksimikiihtyvyyden 1 000 kierrosta sekunnissa.²ja huippunopeus 10 rpm (600 rpm). Tämä huippunopeus 10 rpm korreloi vääntömomentti-nopeuskäyrän tasaisen osan päättymiskohdan kanssa. Suljetun piirin järjestelmä (sen suuremman vääntömomentin tuotantokyvyn vuoksi) saavuttaa maksimikiihtyvyyden 2 000 rpm.²ja huippunopeus 20 kierrosta sekunnissa (1 200 rpm). Tämä on kaksinkertainen avoimen piirin järjestelmän suorituskykyyn verrattuna ja lyhentää siirtoajan lähes puoleen – 110 millisekunnista 60 millisekuntiin.

Suuren läpimenon vaativissa sovelluksissa (kuten indeksointi, reunaohjaimien paikannus ja poiminta- ja sijoitusjärjestelmät) suljetun kierron järjestelmä tarjoaa selkeän suorituskykyedun.

Avoimen ja suljetun silmukan tehokkuus

Avoimen ja suljetun silmukan järjestelmien suhteellisen hyötysuhteen mittaamiseksi oletetaan, että toistamme saman testin kahdella samankokoisella moottorilla. Tällä kertaa suljetun ja avoimen silmukan moottorit käyvät rinnakkain samoilla inertiakuormilla, mutta ohjelmointi pitää liikeprofiilit vakioina ja yhtä suurina, jotta molemmat järjestelmät suorittavat saman määrän työtä.

Samalla kun kaksi moottoria indeksoivat samaa liikeprofiilia toistuvasti, mitataan järjestelmien tasavirtalähteen virrankulutus ja lasketaan tehonkulutus. Kuten arvokäyristä voidaan nähdä, avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmän keskimääräinen tehonkulutus on 43,8 wattia, kun taas suljetun silmukan järjestelmän teho on vain kolmanneksen tästä – keskimäärin 14,2 wattia. Tämä dramaattinen ero tehonkulutuksessa osoittaa selvästi suljetun silmukan järjestelmän tehokkaamman toiminnan. Jokainen käyttäjä, joka haluaa parantaa avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmänsä tehokkuutta, voi nyt harkita yksinkertaista päivitystä suljetun silmukan järjestelmään ja odottaa huomattavasti pienempää kulutusta.

Moottorin lämpenemisen korjaaminen

Luonnollinen jatke tehonkulutustesteille on moottorin lämpenemisen tutkiminen. Avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmät ovat yksinkertaisia ​​laitteita. Taajuusmuuttaja yksinkertaisesti asettaa moottorin nimellisvirralle, ja taajuusmuuttaja tekee parhaansa syöttääkseen kyseistä virtaa moottorille kaikkina aikoina, riippumatta siitä, tarvitaanko syntyvää vääntömomenttia vai ei. Tämä usein aiheuttaa lämmön muodostumista energian sijaan sovellustoimintoa varten – ja on syy siihen, miksi avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmät kuumenevat tyypillisesti enemmän kuin suljetun silmukan vastineensa. Se tarkoittaa myös sitä, että konesuunnittelijoiden on ryhdyttävä lisätoimenpiteisiin tämän lämmön hallitsemiseksi, usein sisällyttämällä erityisiä suojia askelmoottoreiden ympärille, jotka toimivat ihmisten käyttäjien läheisyydessä, tai asentamalla lisäjäähdytysjärjestelmiä, kuten tuulettimia.

Tarkastellaan laboratoriossa suoritetun moottorin lämpenemistestin tuloksia käyttäen samoja avoimen ja suljetun piirin järjestelmiä kuin edellä. Tässä testissä molemmat järjestelmät tuottavat jälleen saman määrän työtä samoilla inertiakuormilla, ja niiden annetaan toimia, kunnes ne saavuttavat termisen tasapainon. Avoimen piirin järjestelmä saavuttaa 76,0 °C:n kotelolämpötilan, kun taas suljetun piirin järjestelmä saavuttaa termisen tasapainon vain 36,9 °C:n kotelolämpötilassa – alle puolet avoimen piirin järjestelmän lämpötilasta. Tämä merkittävä moottorin lämpenemisen väheneminen voi tarkoittaa alhaisempia komponenttikustannuksia koneenrakentajille, koska he voivat jättää pois ylimääräiset suojaus- ja jäähdytysjärjestelmät.

Ei enää meluisia moottoreita

Toinen yleinen valitus avoimen silmukan askellusjärjestelmistä on, että ne tunnetusti tuottavat melko paljon kuuluvaa melua. Tietyissä ympäristöissä, kuten laboratorioissa, sairaaloissa ja toimistoissa, tämä melu voi aiheuttaa todellisen ongelman konesuunnittelijoille.

Askelmoottoreiden tuottama melu johtuu korkeasta sähkötaajuudesta ja staattorin hampaiden nopeista vuonmuutoksista sekä siitä, että avoimen piirin järjestelmiä käytetään täydellä nimellisvirralla kuormituksesta riippumatta. Suljetun piirin askelmoottorijärjestelmät puolestaan ​​syöttävät moottorille juuri sen verran virtaa, että se pystyy ohjaamaan kuormaa, mikä johtaa paljon hiljaisempaan kuuluvaan meluun.

Tämän artikkelin liitteenä olevassa akustisen kohinan kaaviossa esitettyjen testitulosten tuottamiseksi kunkin järjestelmän akustinen melu mitataan äänieristetyssä kammiossa. Suljetun silmukan järjestelmä on huomattavasti hiljaisempi kuin avoimen silmukan vaihtoehto nopeuksilla 0–20 rpm/s. Tämä nopeusalue vastaa niiden sovellusten todellista nopeusaluetta, joissa askelmoottorijärjestelmiä käytetään useimmiten, mikä tarkoittaa, että valtaosa askelmoottorisovelluksista voisi hyötyä moottorin melun vähenemisestä, jos ne vaihdettaisiin suljetun silmukan järjestelmiin.

Parempi moottorin tarkkuus asentovirheiden poistamiseksi

Avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmiä arvostetaan niiden kyvystä asemoida kuormia tarkasti ilman takaisinkytkentämekanismia tai suljetun silmukan ohjausjärjestelmää, mutta vain jos avoimen silmukan järjestelmässä on riittävä vääntömomenttimarginaali, jotta asentovirheitä ei esiinny normaalin toiminnan aikana. Tarkkuuden parantamiseksi ja järjestelmäsuunnittelun vankemmaksi tekemiseksi servon asentosilmukan sulkeminen korkean resoluution enkooderin palautteen ympärille mahdollistaa suljetun silmukan järjestelmien kompensoida automaattisesti vääntömomentin kysynnän kasvut, jotka muuten johtaisivat asentovirheisiin avoimen silmukan järjestelmissä. Tämä parantaa huomattavasti järjestelmän kokonaistarkkuutta, erityisesti erittäin dynaamisissa sovelluksissa, kuten poiminta-ja-sijoitusjärjestelmissä ja 3D-tulostimissa, joissa tarvitaan lyhyitä, nopeita liikkeitä ja toistuvia suunnanmuutoksia.

Olemassa olevien askeljärjestelmien päivittäminen

Integroidun askelmoottorijärjestelmän komponenteista moottorin, tehovahvistimen ja tiedonsiirtokustannukset eivät yleensä nouse siirryttäessä avoimesta silmukasta suljettuun silmukkaan. Ohjauselektroniikka saattaa vaatia hieman enemmän keskusprosessointitehoa tai muistia moottorin servo-ohjaukseen, mutta näillä ei yleensä ole vaikutusta listahintoihin. Suuri osa avoimen ja suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmien välisestä kustannuserosta johtuu korkean resoluution takaisinkytkentälaitteen lisäämisestä, mutta valmistuksen parannukset ovat tehneet näistä laitteista yhä edullisempia. Niinpä nyt suljetun silmukan askelmoottorijärjestelmät säilyttävät avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmien kustannusedut verrattuna muuntyyppisiin paikannusjärjestelmiin – kuten perinteiseen servoon – mutta niiden suorituskyky paranee huomattavasti lähes kaikilla tavoilla. Tyypillisesti suljetun silmukan järjestelmän energiansäästöt ja lisääntynyt läpimenokapasiteetti maksavat nopeasti takaisin takaisinkytkentälaitteen hinnan pienen nousun.

Minimaalisen kustannusnousun lisäksi avoimen silmukan askelmoottorijärjestelmän päivittäminen suljetun silmukan järjestelmään yksinkertaistuu NEMA-runkokokojen ansiosta. Suljetun silmukan NEMA 23 -askelmoottorilla on sama runkokoko, ohjausventtiilin halkaisija, pultinreiän ympyrä ja pultinreiän halkaisija kuin avoimen silmukan NEMA 23 -askelmoottorilla, joten kiinnikkeet pysyvät samoina. Suljetun silmukan järjestelmän suurempi vääntömomentti tarkoittaa, että suljetun silmukan askelmoottorin akselin halkaisija voi olla suurempi, mutta tämä voidaan yleensä ratkaista melko helposti vaihtamalla yksinkertainen akselikytkentä.